EP2571048B1 - Procédé de réalisation d'une structure à cavité fermée hermétiquement et sous atmosphère contrôlée - Google Patents

Procédé de réalisation d'une structure à cavité fermée hermétiquement et sous atmosphère contrôlée Download PDF

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EP2571048B1
EP2571048B1 EP12182855.2A EP12182855A EP2571048B1 EP 2571048 B1 EP2571048 B1 EP 2571048B1 EP 12182855 A EP12182855 A EP 12182855A EP 2571048 B1 EP2571048 B1 EP 2571048B1
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EP
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cavity
gas
cover
electronic device
layer
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EP12182855.2A
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EP2571048A2 (fr
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Jean-Louis Pornin
Xavier Baillin
Charlotte Gillot
Laurent Vandroux
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • B29C41/02—Shaping by coating a mould, core or other substrate, i.e. by depositing material and stripping-off the shaped article; Apparatus therefor for making articles of definite length, i.e. discrete articles
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing an encapsulation structure comprising a hermetically sealed cavity whose atmosphere is controlled.
  • the invention is advantageously used to encapsulate electronic devices such as devices such as MEMS (electromechanical microsystem), MOEMS (optoelectromechanical microsystem) or NEMS (electromechanical nanosystem), for example switches, which operate in environments where the pressure is between about one or several hundred mbar (up to about 1 bar), for example to dampen the vibrations of devices, or passive components such as variable or adjustable capabilities.
  • an electronic device for example of the MEMS type
  • the device is then encapsulated in the cavity which is delimited by the two substrates forming the upper and lower walls of the cavity, and by the bonding interface that forms the side walls of the cavity.
  • PCM Thin Film Packaging
  • a PCM type encapsulation consists of first producing the electronic device on a substrate, then covering the electronic device with a sacrificial layer shaped according to the shape of the desired cavity. This sacrificial layer is then covered by a thin layer intended to form a cover. Release holes are then made through the cover, thereby forming accesses for etching the sacrificial layer. The release holes are then plugged. A cavity is thus obtained in which the electronic device is encapsulated.
  • the release holes may be plugged by performing a vacuum deposition of PVD (physical vapor deposition) type of a plugging material.
  • PVD physical vapor deposition
  • the pressure obtained in the cavity corresponds to the ambient pressure prevailing in the deposition chamber during the closure of the cavity.
  • the pressures that can be obtained with such closure of the cavity generally a few mbar, are insufficient to ensure proper operation of these devices.
  • the closure of the cavity may also be performed by a PECVD type deposit (plasma enhanced chemical vapor deposition) of the clogging material. Again, the pressures that can be obtained are insufficient (at best a few tens of mbar). In addition, such closure of the cavity often generates precursor gas residues in the cavity, these residues may be troublesome for the operation of the device.
  • PECVD type deposit plasma enhanced chemical vapor deposition
  • the document EP 0 846 941 A1 proposes a method of implantation of a gaseous phase through a membrane forming the cover of a cavity. This gas implantation is performed after the closure of the cavity. Although this process allows to obtain within the cavity the desired gas phase at the desired pressure, the energies necessary to pass the gas phase through the membrane and closure layers are very important. In addition, some electronic devices may be sensitive to this gas implantation. However, it is difficult to protect these devices during such gas implantation.
  • the document DE 10 2007 022509 A1 proposes a method for producing an encapsulation structure in which a gas is produced by the decomposition of a heated polymer.
  • An object of the present invention is to propose a method for producing a hermetically sealed cavity encapsulation structure making it possible to obtain, within the cavity, a pressure that is, for example, greater than or equal to about 100 mbar, which is compatible with encapsulation of the PCM type, and this without having to perform gaseous implantation in the cavity after closing thereof.
  • Said portion of material capable of releasing at least one gas when said material is heated comprises elements trapped in said portion of material, said trapped elements being released from said portion of material in gaseous form during heating of said material.
  • the method according to the invention therefore consists in forming in the cavity, or at a location in relation to the interior of the cavity, before or during its hermetic closure, a deposit of material, for example in the form of a layer (s) and or portion (s), capable of releasing at least one gas, and then releasing said gas after hermetic sealing of the cavity, by heating said material.
  • Such a method therefore makes it possible to release at least one gas after the hermetic closure of the cavity, this gas increasing the pressure in the cavity, which makes it possible to obtain a final pressure in the hermetically sealed cavity which is greater than the prevailing pressure. in the cavity during its closure, while avoiding having to perform a gas implantation in the cavity after closing.
  • this method makes it possible to control, via the heating parameters and / or the quantity of gas that can potentially be released from the material, the quantity of gas that is released into the cavity, and thus to precisely control the final pressure obtained within the sealed cavity.
  • this method also controls the nature of the gas released into the cavity, and therefore the type of gaseous atmosphere in the cavity after closing.
  • the volume of the portion or portions of material formed in the cavity which modifies all the volume of the cavity and therefore the volume of gas to be released to obtain the desired pressure.
  • the portion or portions of material may be sized according to the amount of gas to be released into the cavity.
  • the nature of the trapped elements, that is to say enclosed or stored, in the material can be chosen without being limited by the nature of the material intended for realize the release of the gas.
  • the gases resulting from a decomposition of an organic material correspond to organic gases which can be aggressive or disturbing for elements present in the encapsulation structure, particularly with respect to electrical contacts.
  • the portion of material from which the gas or gases released is not decomposed because this or these gases are derived from the elements trapped in the material, and not the material itself.
  • the liberated gases may advantageously be inorganic.
  • the trapped elements may be implanted dopants and / or chemical elements derived for example from processes for producing said portion of material or steps implemented in the presence of said portion of material, these processes or steps being implemented. in order to optimize the volume of these elements trapped in the material, and thus optimize the volume of gas capable of being released from the material.
  • the trapped chemical elements may be elements derived from plasma gases used during the producing said portion (for example nitrogen, and / or hydrogen present during an electrolytic deposition, and / or argon present during etching, etc.).
  • the trapped elements may advantageously be inorganic.
  • this method is compatible with a PCM type encapsulation, but also a substrate transfer encapsulation.
  • the portion of material produced communicates with the interior of the closed cavity, which means that a fluid can flow from the portion of material to the inside of the cavity.
  • the method may further comprise, before a hermetic closure of the cavity, a step of producing at least one electronic device in the cavity.
  • electrodelectronic device refers to any type of electronic and / or electrical device, whose dimensions may be micrometric (microelectronic device), but also nanometric (nanoelectronic device) or millimeter.
  • the electronic device can be made on the substrate before or after said portion of material.
  • the method may further comprise, during the production of the hermetically sealed cavity, the production of at least one layer of material capable of releasing at least one gas when said material is heated, disposed in the cavity and against the hood, or forming the hood, the heating step can also perform the heating of said layer of material, which can release at least a portion of the gas from said layer of material in the cavity.
  • the layer of material capable of releasing gas may be a continuous layer or not, and may comprise one or more patterns of said material.
  • said material made in the form of a layer or one or more portions, may be composed of a stack of one or more materials depending on the nature and volume of the gas or gases to be released into the cavity.
  • these materials may be of the same type or not.
  • the embodiment of the cavity may comprise the production of at least one hole through at least the cover such that the hole can form an access inside the cavity, the cavity may then be sealed by closing the hole by minus a second portion of material capable of releasing at least one gas when said material is heated, the heating step being able to also heat said second portion of material, releasing at least a portion of the gas from said second portion of material into the cavity.
  • the embodiment of the cavity may comprise the production of at least one hole through at least the cover such that the hole can form an access inside the cavity, the cavity may then be sealed by closing the hole by at least one layer of material capable of releasing at least one gas when said material is heated and covering the cover, the heating step being able to also heat said layer of material, releasing at least a portion of the gas from said layer of material into the cavity.
  • the embodiment of the cavity may comprise the production of at least one hole through at least the cover, the cavity may then be sealed by making said portion of material such that it can plug the hole.
  • the embodiment of the cavity may comprise the production of at least one hole through at least the cover, the cavity may then be sealed by making said portion of material in the form of a layer covering the cover.
  • At least said portion of material may be made by at least one deposit of PVD or CVD type (for example PECVD or HDP-CVD) of said material, said deposit being able to carry out a storage of gaseous elements in said material.
  • PVD or CVD type for example PECVD or HDP-CVD
  • Said material capable of releasing at least one gas when said material is heated may comprise implanted dopants, said dopants being able to be released in gaseous form during heating of said material.
  • the liberated gas can therefore correspond to the gaseous elements stored during the deposition of PVD or CVD type or to the dopants released in gaseous form during heating. It is also possible that the gas released corresponds to the gaseous elements stored during the deposition of PVD or CVD type and to the dopants released in gaseous form during heating, which makes it possible to release several types of gas.
  • a hermetic closure of the cavity may be performed under vacuum or under reduced pressure of at least one gas.
  • the final pressure and the nature of the gas or gases within the hermetically sealed cavity depend entirely (in the case of a vacuum closure of the cavity) or partially (in the case of a closure of the cavity under pressure of a gas ) of the gas or gases released during heating of the material.
  • the presence of air, moisture, or precursor gases in the cavity can thus be avoided during the closing of the cavity.
  • Said material capable of releasing at least one gas when said material is heated may be composed of at least one metal, the heating of said portion of material that can be produced at a temperature greater than or equal to the melting temperature of said material, or at a temperature below the melting temperature of said material.
  • the material capable of releasing at least one gas may correspond to a metal deposited on an insulator.
  • the production of said portion of material capable of releasing at least one gas when said material is heated may comprise a first PVD or PECVD deposition of a first metal and a second deposit by electrolysis or degraded electrolysis of a second metal on the first metal.
  • FIGS. 1A to 1E represent the steps of a method of producing an encapsulation structure 100 according to a first embodiment, comprising a cavity 102 in which an electronic device 104 is intended to be encapsulated.
  • an electronic device 104 for example of the MEMS type, is produced on a substrate 106, for example composed of silicon.
  • the electronic device 104 is here a MEMS switch intended to operate under controlled atmosphere and pressure.
  • the electronic device 104 is formed of several elements comprising fixed parts and moving parts.
  • the moving parts are immobilized by a sacrificial material 108, for example composed of polymer and / or polycrystalline silicon and capable of being etched selectively with respect to the other materials that will be present in the cavity 102, shown schematically on the Figure 1A in the form of a layer covering the device 104.
  • Portions 110 of material loaded with gaseous elements are then produced on the substrate 106, around the electronic device 104 ( Figure 1B ).
  • a layer of material in which gaseous elements are stored is first deposited, covering the substrate 106 and the electronic device 104 (and therefore the sacrificial material 108). This layer is then shaped, for example by photolithography and etching, in order to preserve portions 110 of this material charged as gaseous elements on the substrate 106, around the electronic device 104. These portions of material 110 are located on surfaces of the substrate 106 to be encapsulated in the future cavity 102. The portions 110 may be made as they occupy as much surface as possible on the substrate 106.
  • the material of the portions 110 in which the gas is enclosed is for example a dielectric material such as SiO 2 or SiN.
  • the presence of gas in this material is obtained thanks to the deposition process used.
  • the gases present in the deposition chamber are trapped in the deposited material due to the pressure prevailing in the deposition chamber.
  • the deposited material can therefore be loaded with one or more types of gaseous elements depending on the nature of the desired gaseous atmosphere in the future cavity 102, and are example of argon and / or dihydrogen and / or dinitrogen.
  • the pressure and the nature of the gas or gases present in the deposition chamber are, for example, chosen according to the nature and quantity of gas that it is desired to trap, or enclose, in the material of the portions 110.
  • the trapping of gas in the material of the portions 110 can be obtained by performing a PECVD deposition of this material.
  • a PECVD deposit makes it possible to trap a larger quantity of gaseous species in the deposited material.
  • such a PECVD deposit also traps in the material more complex gaseous species as well as precursor gases.
  • Thin-film encapsulation of the electronic device 104 and portions of material 110 are then performed.
  • a layer of sacrificial material 112 for example composed of polymer and / or polycrystalline silicon, and for example of a similar nature to the sacrificial material 108, is then deposited on the substrate 106, covering the electronic device 104 (and therefore the material sacrificial 108) and the portions 110 of gaseous species loaded material.
  • This layer of sacrificial material 112 is shaped such that the remaining volume of this layer 112 corresponds to the desired volume of the future cavity 102.
  • the layer 112 has for example a thickness of between about 1 ⁇ m and 10 ⁇ m, depending on the desired height of the future cavity 102.
  • the sacrificial material is chosen such that it can be selectively etched with respect to the other materials to be stored in the future cavity 102, that is to say the material or materials of the substrate 106 , electronic device 104, portions 110 and the future hood.
  • the cover 114 thus covers the sacrificial layer 112.
  • This cover 114 is for example composed of a dielectric material such as SiO 2 or SiN, but may also be composed of a semiconductor material such as silicon or a conductive material such as a metallic material.
  • the thickness of the cover 114 is for example between about 0.1 microns and 5 microns.
  • one or more release holes 116 are formed, forming accesses to the sacrificial layer 112 (see FIG. figure 1D , on which two holes 116 are shown).
  • the sacrificial layer 112 and the sacrificial material 108 are then etched through the release holes 116 by one or more chemical etching agents adapted to the nature of the materials to be etched, thus forming the cavity 102 delimited by the substrate 106 and the cover 114 and wherein are encapsulated the electronic device 104 and the portions 110 of gaseous species charged material.
  • the release holes 116 are then plugged by a sealing material 118, corresponding for example to a dielectric or metallic material, obstructing the release holes 116 and sealing the cavity 102 ( figure 1E ).
  • the closure of the cavity 102 is advantageously carried out in an environment under vacuum or under reduced pressure of one or more gases which do not disturb the operation of the electronic device 104, and this in order to avoid the presence of air, humidity and / or precursor gases in the hermetically sealed cavity 102 which could disturb the operation of the electronic device 104.
  • the encapsulation structure 100 is then subjected to a heating cycle in order to heat the portions 110, such that the gaseous species stored in the material portions 110 escape from the portions 110 and are released into the cavity 102.
  • portions 110 is continued until the pressure in the cavity 102 reaches the desired operating pressure for the electronic device 104, for example between about 100 mbar and 1 bar.
  • the quantity of gas released which is correlated with the pressure in the cavity 102, can be adjusted by the parameters of the thermal cycle applied to the encapsulation structure 100, in particular the heating time and the temperature at which the portions are exposed. of material 110.
  • the encapsulation structure 100 is for example heated to a temperature between about 100 ° C and 400 ° C, which makes this method compatible with the presence of CMOS devices on the substrate 106. However, if the encapsulation structure is not in the presence of elements limiting the heating temperature, the latter may be greater than 400 ° C.
  • the duration of the heating of the encapsulation structure 100 is for example between about a few minutes and a few hours.
  • the material portions 110 charged with gaseous species are produced after having realized the electronic device 104, which makes it possible to avoid possible losses of gaseous species or contamination of the portions of material 110 by means of other gases occur if these portions 110 were made on the substrate 106 before the electronic device 104 and were exposed to the implementation steps of the electronic device 104 (steps may involve a significant thermal budget).
  • steps implemented to make the electronic device 104 allow it, that is to say do not degrade the charged material in gaseous species, it is possible that the portions of material 110 are made on the substrate 106 before
  • the portions of material 110 to come from one or more of the layers of material used to form parts of the electronic device 104.
  • the heating of the portions 110 of charged gaseous species material is carried out by subjecting the entire encapsulation structure 100 a thermal cycle.
  • the amount of gas desorbed by a layer-like material layer 110 can be characterized as follows:
  • a sample of known surface material in which gas is trapped is evacuated under vacuum, for example in an ampoule.
  • the sample of material is heated and then cooled in order to release the trapped gaseous species.
  • the pressure in the ampoule is then measured, for example by means of a device of the friction-type vacuum gauge, which makes it possible to calculate the quantity of molecules that have been desorbed.
  • the figure 2 represents the cumulative number of moles of gas released per mm 2 of material, in this case tungsten, charged with gaseous species as a function of the annealing temperature.
  • the figure 3 represents the pressure obtained in this cavity as a function of the number of moles of gas inside thereof.
  • a pressure equal to about 0.7 atm.
  • the pressure that can be obtained in the cavity will be a function of the characteristics of the thermal cycle performed, the dose of gas trapped or implanted in the material, the surface of the material comprising the gaseous species and the volume of the cavity.
  • the portions 110 may be composed of a metal, for example indium, or a metal alloy such as AuSn.
  • gaseous species are trapped in these metal portions during the deposition, for example PVD or PECVD, of these portions.
  • PVD deposition is achieved by using for the plasma a gas or a mixture of gas insoluble in the metal.
  • a gas or a mixture of gas insoluble in the metal For example, an aluminum PVD deposit with an argon or krypton plasma, or a gold deposit with an argon, krypton or nitrogen plasma or a mixture of these gases can be produced.
  • the portions 110 may also be composed of a eutectic alloy which will make it possible to perform degassing at a temperature compatible with the electronic components. It is thus possible to deposit a first metal layer, for example composed of gold or nickel, with PVD in the presence of argon, krypton or nitrogen or a mixture of these gases and then to deposit a layer of another metal. by electrolysis, for example tin.
  • a heat treatment will allow the fusion of this alloy. at about 280 ° C and thus the release of the gas or trapped in gold at this temperature.
  • the first metal for example gold
  • the second metal here tin
  • This degraded electrolysis is carried out by increasing the current densities during the electrolysis, thus increasing the deposition rate of the metal compared with conventional electrolysis, which results in trapping of hydrogen molecules in the electroless deposited material.
  • the heat treatment with recasting will allow the release of a mixture of ArH type gas 2 with reducing properties that can be favorable to the reliability of the electronic device 104, preventing for example an oxidation of metal parts such as electrical contacts of the device.
  • these metal portions 110 are exposed (locally or otherwise) to a temperature greater than the melting temperature of the metal or metal alloy of the portions 110, thus causing its melting as well as degassing in the cavity 102 gaseous species stored in these portions 110.
  • This variant has the particular advantage of quickly release all the trapped gas in the portions 110.
  • the portions 110 may correspond to a metal / oxide bilayer.
  • the portions 110 may be formed for example by an aluminum layer deposited on a layer of SiO 2 obtained by HDP deposition (made by high density plasma, for example HDP-CVD) and shaped by a dry etching process.
  • the aluminum layer and the SiO 2 layer are in connection with the cavity 102 (no material, in particular no passivation material, is disposed on the portions 110).
  • gas is released from the portions 110 into the cavity 102 by virtue of the fact that the material of the portions 110 is charged with gaseous species during the PVD or PECVD deposition of these portions 110.
  • the gas released into the cavity it is possible for the gas released into the cavity to come from dopants implanted in the portions 110, these dopants being released in gaseous form when the portions 110 are heated.
  • the portions 110 from production techniques other than a PVD or PECVD deposit.
  • the substrate 106 comprises the device 104, for example of the MEMS type, as well as CMOS devices
  • the implantation steps or equipment used for the doping of the CMOS devices can be used for doping the portions 110.
  • the released gases can come from both the gaseous species stored in the portions 110 during the deposition thereof, and also dopants implanted in the portions 110.
  • the figure 4 represents an encapsulation structure 200 obtained by implementing a production method according to a second embodiment.
  • the encapsulation structure 200 does not have, on the substrate 106, the portions of material 110 from which gaseous species escape.
  • the gaseous species are stored in a layer of material 202 covering partially or totally (as is the case on the example of the figure 4 ) the walls (upper wall and side walls) of the cover 114 located inside the cavity 102.
  • Such an encapsulation structure 200 is for example obtained by first realizing the electronic device 104 on the substrate 106, then the sacrificial layer 112.
  • a layer 202 of material loaded with gaseous elements, for example of a similar nature to the material of the portions 110, is then deposited in a conformal manner (with a substantially constant thickness), for example by a PVD or PECVD deposit, such that it covers the sacrificial layer 112.
  • the process is then completed in a manner similar to that used for to realize the encapsulation structure 100, that is to say by producing the cover 114 as well as the release holes 116 (which also pass through the layer 202), then by etching the sacrificial layer 112 and the sacrificial material 108, plugging the release holes 116 by the plugging material 118 and finally heating the layer 202 so that the gaseous species stored in the layer 202 are released into the cavity 102.
  • an encapsulation structure 250 thus obtained comprises, in the cavity 102 hermetically sealed, the portions 110 and the layer 202 (see FIG. figure 5 ).
  • the material in which the gaseous species are stored can be made in any form (portions, layers, etc.) and / or in any pattern, as long as during the closure of the cavity this material is disposed in the cavity or communicates with the interior thereof.
  • this material is disposed in the cavity or communicates with the interior thereof.
  • the material in which the gaseous species are stored is made in a space outside the cavity 102 but communicating with the interior thereof when it is hermetically sealed.
  • the portions 110 and / or the layer 202 may each be formed by a superposition of several materials at least one of which is charged with gaseous species, these materials possibly being different from one another.
  • Such a variant is advantageously implemented by performing superpositions of metallic materials.
  • it is possible to adapt the melting temperature of the material (s) enclosing the gaseous species by virtue of the eutectics formed by these different metallic materials.
  • thermo-degradable materials correspond for example to organic materials such as polymers.
  • the Figures 6A and 6B represent encapsulation structures 300 obtained by implementing a production method according to two variants of a third embodiment.
  • the encapsulation structure 200 does not include the portions of material 110 from which gaseous species escape.
  • the gaseous species are stored in the capping material used to plug the release holes 116, made in the form of portions 302 (or plugs) each obstructing one or more of the release holes 116 (as shown). on the Figure 6A ) or in the form of a layer of material 304 covering the cover 114 and thus also the release holes 116 (as shown in FIG. Figure 6B ).
  • Such an encapsulation structure 300 is for example obtained by first producing the electronic device 104 on the substrate 106, then the sacrificial layer 112.
  • the cover 114 is made on the sacrificial layer 112 and the holes release 116 are made through the cover 114.
  • the sacrificial layer 112 and the sacrificial material 108 are then etched.
  • the portions 302 or the closure layer 304 of the release holes 116 are then made for example by PVD or PECVD deposition, thereby loading these materials into gaseous elements.
  • This closure of the cavity 102 by the portions 302 or the layer 304 is advantageously carried out under vacuum or under reduced pressure of one or more non-precursor gases.
  • the method is then completed in a similar manner to the previous embodiments, by heating (locally or not) the portions 302 or the layer 304 so that the gaseous species stored in the portions 302 or the layer 304 are partially released into the cavity 102 .
  • the third embodiment can be combined with the first and / or the second embodiment previously described so that the portions 302 or the layer 304 communicate with the interior of the cavity 102 in which the portions 110 and / or the layer 202.
  • the various variants previously described in connection with the first or the second embodiment can also be applied to this third embodiment.
  • the encapsulation structures are obtained by the implementation of PCM (Thin Layer Packaging) type processes.
  • cover layer 114 is replaced by a second substrate forming the cover of the cavity 102, the side walls of the cavity 102 being formed by portions of material forming a bonding interface between the substrate 106 and the second substrate.
  • Such an encapsulation structure 400 is represented on the figure 7 .
  • the cavity 102 is formed between the first substrate 106 and a second substrate 402 solidarity to the first substrate 106 via portions of material 404 also forming the side walls of the cavity 102.
  • the cavity 102 is formed in the second substrate 402, for example by micromachining, the first substrate 106 and the second substrate 402 can in this case be directly attached to one another.
  • the material in which the gaseous species are enclosed can be made in the form of portions and / or layers arranged for example against the second substrate 402 and / or the side walls 404 of the cavity 102.
  • the various variants previously described can also apply to the encapsulation structure 400.

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • L'invention concerne un procédé de réalisation d'une structure d'encapsulation comportant une cavité fermée hermétiquement et dont l'atmosphère est contrôlée. L'invention s'applique avantageusement pour réaliser une encapsulation de dispositifs électroniques tels que des dispositifs de type MEMS (microsystème électromécanique), MOEMS (microsystème opto-électromécanique) ou NEMS (nanosystème électromécanique), par exemple des commutateurs, qui fonctionnent dans des environnements où la pression est comprise entre environ une ou plusieurs centaines de mbar (jusqu'à environ 1 bar), afin par exemple d'amortir les vibrations des dispositifs, ou des composants passifs tels que des capacités variables ou ajustables.
    • ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
  • Pour encapsuler un dispositif électronique, par exemple de type MEMS, dans une cavité, il est connu de réaliser le dispositif électronique sur un premier substrat, puis de solidariser un second substrat au premier substrat par l'intermédiaire d'une interface de collage. Le dispositif se retrouve alors encapsulé dans la cavité qui est délimitée par les deux substrats formant les parois supérieures et inférieures de la cavité, et par l'interface de collage qui forme les parois latérales de la cavité.
  • Afin notamment de limiter l'encombrement de la structure d'encapsulation, il est également connu de réaliser une encapsulation de dispositifs électroniques par couches minces, appelée PCM (Packaging Couche Mince). Une encapsulation de type PCM consiste à réaliser tout d'abord le dispositif électronique sur un substrat, puis à recouvrir le dispositif électronique d'une couche sacrificielle mise en forme selon la forme de la cavité souhaitée. Cette couche sacrificielle est ensuite recouverte par une couche mince destinée à former un capot. Des trous de libération sont ensuite réalisés à travers le capot, formant ainsi des accès pour graver la couche sacrificielle. Les trous de libération sont ensuite bouchés. On obtient ainsi une cavité dans laquelle le dispositif électronique est encapsulé.
  • Pour fonctionner correctement, certains dispositifs électroniques, comme par exemple des dispositifs MEMS de type commutateur, doivent être disposés dans des atmosphères gazeuses contrôlées dans lesquelles règnent des pressions comprises entre environ 100 mbar et environ 1 bar. Cette atmosphère permet notamment d'amortir les vibrations de ces dispositifs, et donc d'assurer un fonctionnement correct de ces dispositifs.
  • Dans le cas d'une encapsulation de type PCM, les trous de libération peuvent être bouchés en réalisant un dépôt sous vide de type PVD (dépôt physique en phase vapeur) d'un matériau de bouchage. La pression obtenue dans la cavité correspond à la pression ambiante régnant dans l'enceinte de dépôt lors de la fermeture de la cavité. Toutefois, les pressions pouvant être obtenues avec une telle fermeture de la cavité, généralement de quelques mbar, sont insuffisantes pour assurer un fonctionnement correct de ces dispositifs.
  • La fermeture de la cavité peut également être réalisée par un dépôt de type PECVD (dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma) du matériau de bouchage. Là encore, les pressions pouvant être obtenues sont insuffisantes (au mieux quelques dizaines de mbar). De plus, une telle fermeture de la cavité génère souvent des résidus de gaz précurseurs dans la cavité, ces résidus pouvant être gênants pour le fonctionnement du dispositif.
  • Il est également possible de fermer la cavité en réalisant un dépôt de polymère bouchant les trous de libération. Mais dans ce cas, la présence de composés organiques au niveau des trous de libération peut être gênante pour le fonctionnement du dispositif électronique. De plus, l'herméticité de la cavité ainsi fermée est généralement mauvaise.
  • Pour obtenir des pressions de l'ordre de quelques centaines de mbar, le document EP 0 846 941 A1 propose un procédé d'implantation d'une phase gazeuse au travers d'une membrane formant le capot d'une cavité. Cette implantation gazeuse est réalisée après la fermeture de la cavité. Bien que ce procédé permette d'obtenir au sein de la cavité la phase gazeuse souhaitée à la pression désirée, les énergies nécessaires pour faire passer la phase gazeuse au travers de la membrane et des couches de fermeture sont très importantes. De plus, certains dispositifs électroniques peuvent être sensibles à cette implantation gazeuse. Or, il est difficile de protéger ces dispositifs lors d'une telle implantation gazeuse.
  • Le document DE 10 2007 022509 A1 propose un procédé de réalisation d'une structure d'encapsulation dans lequel un gaz est produit par la décomposition d'un polymère chauffé.
    • EXPOSÉ DE L'INVENTION
  • Un but de la présente invention est de proposer un procédé de réalisation d'une structure d'encapsulation à cavité fermée hermétiquement permettant d'obtenir, au sein de la cavité, une pression par exemple supérieure ou égale à environ 100 mbar, qui soit compatible avec une encapsulation de type PCM, et cela sans avoir à réaliser d'implantation gazeuse dans la cavité après la fermeture de celle-ci.
  • Pour cela, la présente invention propose un procédé de réalisation d'une structure d'encapsulation comportant au moins les étapes de :
    • réalisation d'au moins une portion de matériau apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé, la portion de matériau communiquant avec l'intérieur d'une cavité fermée hermétiquement de la structure d'encapsulation,
    • chauffage de tout ou partie de ladite portion de matériau tel qu'au moins une partie du gaz soit libérée depuis ladite portion de matériau dans la cavité.
  • Ladite portion de matériau apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé comporte des éléments piégés dans ladite portion de matériau, lesdits éléments piégés se libérant de ladite portion de matériau sous forme gazeuse lors du chauffage dudit matériau.
  • Le procédé selon l'invention consiste donc à former dans la cavité, ou à un endroit en relation avec l'intérieure de la cavité, avant ou pendant sa fermeture hermétique, un dépôt de matériau, par exemple sous forme de couche(s) et/ou de portion(s), apte à libérer au moins un gaz, puis à libérer ledit gaz après la fermeture hermétique de la cavité, en chauffant ledit matériau.
  • Un tel procédé permet donc de libérer au moins un gaz après la fermeture hermétique de la cavité, ce gaz augmentant la pression régnant dans la cavité, ce qui permet d'obtenir une pression finale dans la cavité fermée hermétiquement qui est supérieure à la pression régnant dans la cavité lors de sa fermeture, tout en évitant d'avoir à réaliser une implantation gazeuse dans la cavité après sa fermeture.
  • De plus, ce procédé permet de contrôler, via les paramètres de chauffe et/ou la quantité de gaz potentiellement libérable depuis le matériau, la quantité de gaz qui est libéré dans la cavité, et donc de contrôler précisément la pression finale obtenue au sein de la cavité fermée hermétiquement. De plus, ce procédé permet de contrôler également la nature du gaz libéré dans la cavité, et donc le type d'atmosphère gazeuse régnant dans la cavité après sa fermeture.
  • Selon la pression souhaitée au sein de la cavité, il est possible de choisir le volume de la ou des portions de matériau formées dans la cavité, ce qui modifie d'autant le volume de la cavité et donc le volume de gaz à libérer pour obtenir la pression souhaitée. La ou les portions de matériau peuvent être dimensionnées en fonction de la quantité de gaz à libérer dans la cavité.
  • De plus, contrairement à des gaz issus de la décomposition de matériaux par exemple organiques, la nature des éléments piégés, c'est-à-dire enfermés ou stockés, dans le matériau peuvent être choisis sans être limités par la nature du matériau destiné à réaliser la libération du gaz. Les gaz issus d'une décomposition d'un matériau organique correspondent à des gaz organiques qui peuvent être agressifs ou perturbants pour des éléments présents dans la structure d'encapsulation, notamment vis-à-vis de contacts électriques. Dans le procédé selon l'invention, la portion de matériau dont sont issus le ou les gaz libérés n'est pas décomposée car ce ou ces gaz sont issus des éléments piégés dans le matériau, et non du matériau en lui-même. Les gaz libérés peuvent avantageusement être non organiques.
  • Les éléments piégés peuvent être des dopants implantés et/ou des éléments chimiques issus par exemple des procédés de réalisation de ladite portion de matériau ou d'étapes mises en oeuvre en présence de ladite portion de matériau, ces procédés ou étapes pouvant être mis en oeuvre de façon à optimiser le volume de ces éléments piégés dans le matériau, et donc optimiser le volume de gaz apte à être libéré du matériau. Les éléments chimiques piégés peuvent être des éléments issus de gaz plasma utilisés lors de la réalisation de ladite portion (par exemple de l'azote, et/ou de l'hydrogène présent lors d'un dépôt électrolytique, et/ou de l'argon présent lors d'une gravure, etc.). Les éléments piégés peuvent avantageusement être non organiques.
  • Enfin, ce procédé est compatible avec une encapsulation de type PCM, mais également une encapsulation par report de substrat.
  • La portion de matériau réalisée communique avec l'intérieur de la cavité fermée, ce qui signifie qu'un fluide peut circuler depuis la portion de matériau jusqu'à l'intérieur de la cavité.
  • Le procédé peut comporter en outre, avant une fermeture hermétique de la cavité, une étape de réalisation d'au moins un dispositif électronique dans la cavité. Un tel procédé permet de contrôler la nature du ou des gaz destinés à être libérés dans la cavité, ce ou ces gaz pouvant être choisis parmi des gaz inactifs ou sans incidence sur les performances ou le fonctionnement du dispositif électronique.
  • Le terme « dispositif électronique » désigne tout type de dispositif électronique et/ou électrique, dont les dimensions peuvent être micrométriques (dispositif microélectronique), mais également nanométriques (dispositif nanoélectronique) ou encore millimétriques.
  • Le procédé peut comporter en outre, avant la mise en oeuvre de l'étape de chauffage de ladite portion de matériau, les étapes de :
    • réalisation du dispositif électronique et de ladite portion de matériau sur un substrat,
    • réalisation de la cavité fermée hermétiquement dans laquelle peuvent être disposés au moins le dispositif électronique et ladite portion de matériau, la cavité pouvant être formée entre le substrat et un capot.
  • Le dispositif électronique peut être réalisé sur le substrat avant ou après ladite portion de matériau.
  • Dans ce cas, le procédé peut comporter en outre, lors de la réalisation de la cavité fermée hermétiquement, la réalisation d'au moins une couche de matériau apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé, disposée dans la cavité et contre le capot, ou formant le capot, l'étape de chauffage pouvant réaliser également le chauffage de ladite couche de matériau, pouvant libérer au moins une partie du gaz depuis ladite couche de matériau dans la cavité.
  • La couche de matériau apte à libérer du gaz peut être une couche continue ou non, et peut comporter un ou plusieurs motifs dudit matériau.
  • De plus, ledit matériau, réalisé sous la forme d'une couche ou d'une ou plusieurs portions, peut être composé d'un empilement d'un ou plusieurs matériaux suivant la nature et le volume du ou des gaz à libérer dans la cavité. Lorsque l'on dispose un matériau apte à libérer du gaz sur le substrat et un matériau apte libérer du gaz contre le capot (ou formant le capot), ces matériaux peuvent être de même nature ou non.
  • Le procédé peut comporter en outre, avant la mise en oeuvre de l'étape de chauffage de ladite portion de matériau, les étapes de :
    • réalisation du dispositif électronique sur un substrat,
    • réalisation de la cavité fermée hermétiquement dans laquelle peut être disposé au moins le dispositif électronique, la cavité pouvant être formée entre le substrat et un capot, ladite portion de matériau pouvant former une couche de matériau disposée dans la cavité et contre le capot.
  • La réalisation de la cavité peut comporter la réalisation d'au moins un trou à travers au moins le capot tel que le trou puisse former un accès à l'intérieur de la cavité, la cavité pouvant être ensuite fermée hermétiquement en bouchant le trou par au moins une deuxième portion de matériau apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé, l'étape de chauffage pouvant réaliser également le chauffage de ladite deuxième portion de matériau, libérant au moins une partie du gaz depuis ladite deuxième portion de matériau dans la cavité.
  • La réalisation de la cavité peut comporter la réalisation d'au moins un trou à travers au moins le capot tel que le trou puisse former un accès à l'intérieur de la cavité, la cavité pouvant être ensuite fermée hermétiquement en bouchant le trou par au moins une couche de matériau apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé et recouvrant le capot, l'étape de chauffage pouvant réaliser également le chauffage de ladite couche de matériau, libérant au moins une partie du gaz depuis ladite couche de matériau dans la cavité.
  • Le procédé peut comporter en outre, avant la mise en oeuvre de l'étape de réalisation de ladite portion de matériau, les étapes de :
    • réalisation du dispositif électronique sur un substrat,
    • réalisation de la cavité dans laquelle peut être disposé au moins le dispositif électronique, la cavité pouvant être formée entre le substrat et un capot,
  • la réalisation de la cavité pouvant comporter la réalisation d'au moins un trou à travers au moins le capot, la cavité pouvant être ensuite fermée hermétiquement en réalisant ladite portion de matériau telle qu'elle puisse boucher le trou.
  • Le procédé peut comporter en outre, avant la mise en oeuvre de l'étape de réalisation de ladite portion de matériau, les étapes de :
    • réalisation du dispositif électronique sur un substrat,
    • réalisation de la cavité dans laquelle est disposé au moins le dispositif électronique, la cavité étant formée entre le substrat et un capot,
  • la réalisation de la cavité pouvant comporter la réalisation d'au moins un trou à travers au moins le capot, la cavité pouvant être ensuite fermée hermétiquement en réalisant ladite portion de matériau sous la forme d'une couche recouvrant le capot.
  • Au moins ladite portion de matériau peut être réalisée par au moins un dépôt de type PVD ou CVD (par exemple PECVD ou HDP-CVD) dudit matériau, ledit dépôt pouvant réaliser un stockage d'éléments gazeux dans ledit matériau.
  • Ledit matériau apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé peut comporter des dopants implantés, lesdits dopants pouvant se libérer sous forme gazeuse lors du chauffage dudit matériau.
  • Le gaz libéré peut donc correspondre aux éléments gazeux stockées lors du dépôt de type PVD ou CVD ou aux dopants libérés sous forme gazeuse lors du chauffage. Il est également possible que le gaz libéré corresponde aux éléments gazeux stockées lors du dépôt de type PVD ou CVD et aux dopants libérés sous forme gazeuse lors du chauffage, ce qui permet de libérer plusieurs types de gaz.
  • Une fermeture hermétique de la cavité peut être réalisée sous vide ou sous pression réduite d'au moins un gaz. Ainsi, la pression finale et la nature du ou des gaz au sein de la cavité fermée hermétiquement dépendent complètement (cas d'une fermeture sous vide de la cavité) ou partiellement (cas d'une fermeture de la cavité sous pression d'un gaz) du ou des gaz libérés lors du chauffage du matériau. La présence d'air, d'humidité, ou de gaz précurseurs dans la cavité peut ainsi être évitée lors de la fermeture de la cavité.
  • Ledit matériau apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé peut être composé d'au moins un métal, le chauffage de ladite portion de matériau pouvant être réalisé à une température supérieure ou égale à la température de fusion dudit matériau, ou encore à une température inférieure à la température de fusion dudit matériau.
  • Contrairement aux métaux généralement utilisés en microélectronique, qui sont recouverts d'un isolant, le matériau apte à libérer au moins un gaz peut correspondre à un métal déposé sur un isolant.
  • La réalisation de ladite portion de matériau apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé peut comporter un premier dépôt de type PVD ou PECVD d'un premier métal et un deuxième dépôt par électrolyse ou électrolyse dégradée d'un deuxième métal sur le premier métal.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
  • La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
    • les figures 1A à 1E représentent les étapes d'un procédé de réalisation d'une structure d'encapsulation, objet de la présente invention, selon un premier mode de réalisation,
    • la figure 2 représente une quantité de gaz libéré en mole par mm2 d'un matériau chargé en espèces gazeuses en fonction de la température lors d'une étape de chauffage réalisée lors d'un procédé de réalisation d'une structure d'encapsulation, objet de la présente invention,
    • la figure 3 représente une pression obtenue dans une cavité d'une structure d'encapsulation réalisée selon un procédé objet de la présente invention, en fonction du nombre de mole de gaz à l'intérieur de celle-ci,
    • les figures 4 à 7 représentent des structures d'encapsulation obtenues par la mise en oeuvre de procédés de réalisation de structures d'encapsulation, objets de la présente invention, selon différents modes et variantes de réalisation.
  • Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures décrites ci-après portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
  • Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
  • Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent se combiner entre elles.
    • EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
  • On se réfère tout d'abord aux figures 1A à 1E qui représentent les étapes d'un procédé de réalisation d'une structure d'encapsulation 100 selon un premier mode de réalisation, comportant une cavité 102 dans laquelle un dispositif électronique 104 est destiné à être encapsulé.
  • Comme représenté sur la figure 1A, on réalise sur un substrat 106, par exemple composé de silicium, un dispositif électronique 104, par exemple de type MEMS. Le dispositif électronique 104 est ici un commutateur MEMS destiné à fonctionner sous atmosphère et pression contrôlées. Le dispositif électronique 104 est formé de plusieurs éléments comportant des parties fixes et des parties mobiles. Lors de la réalisation du dispositif 104, les parties mobiles sont immobilisées par un matériau sacrificiel 108, par exemple composé de polymère et/ou de silicium polycristallin et apte à être gravé sélectivement par rapport aux autres matériaux qui seront présents dans la cavité 102, représenté schématiquement sur la figure 1A sous la forme d'une couche recouvrant le dispositif 104.
  • Des portions 110 de matériau chargé en éléments gazeux sont ensuite réalisées sur le substrat 106, autour du dispositif électronique 104 (figure 1B).
  • Pour cela, une couche de matériau dans lequel sont stockés des éléments gazeux est tout d'abord déposée, recouvrant le substrat 106 et le dispositif électronique 104 (et donc le matériau sacrificiel 108). Cette couche est ensuite mise en forme, par exemple par photolithographie et gravure, afin de conserver des portions 110 de ce matériau chargé en éléments gazeux sur le substrat 106, autour du dispositif électronique 104. Ces portions de matériau 110 sont localisées sur des surfaces du substrat 106 destinées à être encapsulées dans la future cavité 102. Les portions 110 peuvent être réalisées telles qu'elles occupent le plus de surface possible sur le substrat 106.
  • Le matériau des portions 110 dans lequel est enfermé le gaz est par exemple un matériau diélectrique tel que du SiO2 ou du SiN. La présence de gaz dans ce matériau est obtenue grâce au procédé de dépôt mis en oeuvre. Ainsi, lorsque les portions 110 sont réalisées par un dépôt PVD du matériau, les gaz présents dans l'enceinte de dépôt sont piégés dans le matériau déposé grâce à la pression régnant dans l'enceinte de dépôt. Selon la nature du ou des gaz présents dans l'enceinte de dépôt, le matériau déposé peut donc être chargé d'un ou plusieurs types d'éléments gazeux selon la nature de l'atmosphère gazeuse souhaitée dans la future cavité 102, et sont par exemple de l'argon et/ou du dihydrogène et/ou du diazote. La pression et la nature du ou des gaz présents dans l'enceinte de dépôt sont par exemple choisies en fonction de la nature et de la quantité de gaz que l'on souhaite piéger, ou enfermer, dans le matériau des portions 110.
  • Dans une variante, le piégeage de gaz dans le matériau des portions 110 peut être obtenu en réalisant un dépôt PECVD de ce matériau. Par rapport à un dépôt PVD, un dépôt PECVD permet de piéger une plus grande quantité d'espèces gazeuses dans le matériau déposé. Toutefois, un tel dépôt PECVD piège également dans le matériau des espèces gazeuses plus complexes ainsi que des gaz précurseurs.
  • Dans une autre variante, d'autres types de procédés de dépôt ou d'étapes peuvent être mises en oeuvre pour réaliser un stockage d'éléments chimiques dans le matériau des portions 110.
  • On réalise ensuite une encapsulation par couche mince du dispositif électronique 104 et des portions de matériau 110. Ainsi, comme représenté sur la figure 1C, une couche de matériau sacrificiel 112, par exemple composée de polymère et/ou de silicium polycristallin, et par exemple de nature similaire au matériau sacrificiel 108, est ensuite déposée sur le substrat 106, en recouvrant le dispositif électronique 104 (et donc le matériau sacrificiel 108) et les portions 110 de matériau chargé en espèces gazeuses.
  • Cette couche de matériau sacrificiel 112 est mise en forme telle que le volume restant de cette couche 112 corresponde au volume souhaité de la future cavité 102. La couche 112 a par exemple une épaisseur comprise entre environ 1 µm et 10 µm, en fonction de la hauteur souhaitée de la future cavité 102. Le matériau sacrificiel est choisi tel qu'il puisse être gravé sélectivement par rapport aux autres matériaux destinés à être conservés dans la future cavité 102, c'est-à-dire le ou les matériaux du substrat 106, du dispositif électronique 104, des portions 110 ainsi que du futur capot.
  • On réalise ensuite un dépôt conforme d'un matériau formant une couche destinée à former le capot 114 de la cavité 102 dans laquelle le dispositif 104 et les portions de matériau 110 sont destinés à être encapsulés. Le capot 114 recouvre ainsi la couche sacrificielle 112. Ce capot 114 est par exemple composé d'un matériau diélectrique tel que du SiO2 ou du SiN, mais peut également être composé d'un matériau semiconducteur tel que du silicium ou encore d'un matériau conducteur tel qu'un matériau métallique. L'épaisseur du capot 114 est par exemple comprise entre environ 0,1 µm et 5 µm.
  • On réalise ensuite à travers le capot 114, un ou plusieurs trous de libération 116, formant des accès à la couche sacrificielle 112 (voir la figure 1D, sur laquelle deux trous 116 sont représentés).
  • La couche sacrificielle 112 ainsi que le matériau sacrificiel 108 sont ensuite gravés à travers les trous de libération 116 par un ou plusieurs agents de gravure chimiques adaptés à la nature des matériaux à graver, formant ainsi la cavité 102 délimitée par le substrat 106 et le capot 114 et dans laquelle sont encapsulés le dispositif électronique 104 et les portions 110 de matériau chargé en espèces gazeuses.
  • Les trous de libération 116 sont ensuite bouchés par un matériau de bouchage 118, correspondant par exemple à un matériau diélectrique ou métallique, obstruant les trous de libération 116 et fermant hermétiquement la cavité 102 (figure 1E).
  • La fermeture de la cavité 102 est avantageusement réalisée dans un environnement sous vide ou sous pression réduite d'un ou plusieurs gaz qui ne perturbent pas le fonctionnement du dispositif électronique 104, et cela afin d'éviter notamment la présence d'air, d'humidité et/ou de gaz précurseurs dans la cavité 102 fermée hermétiquement qui pourraient perturber le fonctionnement du dispositif électronique 104.
  • La structure d'encapsulation 100 est ensuite soumise à un cycle de chauffe afin de chauffer les portions 110, tel que les espèces gazeuses stockées dans les portions de matériau 110 s'échappent des portions 110 et soient libérées dans la cavité 102. Le chauffage des portions 110 est poursuivi jusqu'à ce que la pression régnant dans la cavité 102 atteigne la pression de fonctionnement souhaitée pour le dispositif électronique 104, par exemple comprise entre environ 100 mbar et 1 bar. La quantité de gaz libéré, qui est corrélée à la pression régnant dans la cavité 102, peut être ajustée par les paramètres du cycle thermique appliqué à la structure d'encapsulation 100, notamment la durée de chauffe et la température à laquelle sont exposées les portions de matériau 110.
  • La structure d'encapsulation 100 est par exemple chauffée à une température comprise entre environ 100°C et 400°C, ce qui rend ce procédé compatible avec la présence de dispositifs CMOS sur le substrat 106. Toutefois, si la structure d'encapsulation n'est pas en présence d'éléments limitant la température de chauffe, cette dernière peut être supérieure à 400°C. La durée du chauffage de la structure d'encapsulation 100 est par exemple comprise entre environ quelques minutes et quelques heures.
  • Dans ce premier mode de réalisation, les portions de matériau 110 chargées en espèces gazeuses sont réalisées après avoir réalisé le dispositif électronique 104, ce qui permet d'éviter d'éventuelles pertes d'espèces gazeuses ou contaminations des portions de matériau 110 par d'autres gaz pouvant survenir si ces portions 110 étaient réalisées sur le substrat 106 avant le dispositif électronique 104 et qu'elles étaient exposées aux étapes de mises en oeuvre du dispositif électronique 104 (étapes pouvant impliquer un budget thermique important). Toutefois, si les étapes mises en oeuvre pour réaliser le dispositif électronique 104 le permettent, c'est-à-dire ne dégradent pas le matériau chargé en espèces gazeuses, il est possible que les portions de matériau 110 soient réalisées sur le substrat 106 avant le dispositif électronique 104. Dans une autre variante, il est également possible que les portions de matériau 110 soient issues d'une ou plusieurs des couches de matériau utilisées pour former des parties du dispositif électronique 104.
  • Dans l'exemple précédemment décrit, le chauffage des portions 110 de matériau chargé en espèces gazeuses est réalisé en faisant subir à l'ensemble de la structure d'encapsulation 100 un cycle thermique. En variante, il est possible de chauffer localement la ou les portions 110 de matériau chargé en gaz, par exemple grâce à une excitation lumineuse des portions 110 par laser à travers le capot 114.
  • En fonction de la nature gazeuse et de la pression souhaitées dans la cavité 102, du cycle de température applicable et du rendement de dégazage des portions 110 pouvant être obtenu, il est possible d'adapter la quantité de gaz piégé dans le matériau des portions 110. La quantité de gaz dessorbé par une couche de matériau du type des portions 110 peut être caractérisée de la façon suivante :
  • On enferme sous vide, par exemple dans une ampoule, un échantillon de matériau de surface connue et dans lequel du gaz est piégé. On chauffe puis on refroidie l'échantillon de matériau afin de libérer les espèces gazeuses piégées. On mesure alors la pression dans l'ampoule, par exemple grâce à un dispositif de type vacuomètre à friction, ce qui permet de calculer la quantité de molécules déssorbées. La figure 2 représente le nombre cumulé de moles de gaz libérées par mm2 de matériau, ici du tungstène, chargé en espèces gazeuses en fonction de la température de recuit.
  • En appliquant la formule PV = nRT, on peut calculer la pression équivalente à ce nombre de moles libérées dans une cavité de volume égal à 5.10-3 mm3.
  • Par exemple, pour une quantité de 10-10 mole obtenue avec un cycle de chauffe à une température égale à environ 400°C, on obtient une pression égale à : P = 10 − 10 × 0 , 082 × 300 / 5.10 − 9 = 0 , 5 atm
    Figure imgb0001
    • avec n = 10-10 mole ;
    • R = 0,082 l.atm.K-1.mole-1 ;
    • T = 300 K ;
    • V = 5.10-9 l.
  • La figure 3 représente la pression obtenue dans cette cavité en fonction du nombre de moles de gaz à l'intérieur de celle-ci. Pour le matériau caractérisé dans cet exemple, avec un cycle de température adapté, on voit qu'il est possible d'obtenir une pression égale à environ 0,7 atm.
  • Ainsi, la pression pouvant être obtenue dans la cavité sera fonction des caractéristiques du cycle thermique réalisé, de la dose de gaz piégée ou implantée dans le matériau, de la surface du matériau comportant les espèces gazeuses ainsi que du volume de la cavité.
  • Dans une autre variante, les portions 110 peuvent être composées d'un métal, par exemple de l'indium, ou un alliage métallique tel que de l'AuSn.
  • Comme dans l'exemple précédemment décrit, des espèces gazeuses sont piégées dans ces portions métalliques lors du dépôt, par exemple PVD ou PECVD, de ces portions. Un tel dépôt PVD est réalisé en utilisant pour le plasma un gaz ou un mélange de gaz non soluble dans le métal. On peut par exemple réalisé un dépôt PVD d'aluminium avec un plasma d'argon ou de krypton, ou un dépôt d'or avec un plasma d'argon, de krypton ou d'azote ou un mélange de ces gaz.
  • Les portions 110 peuvent également être composées d'un alliage eutectique qui va permettre d'effectuer un dégazage à une température compatible avec les composants électroniques. On peut ainsi déposer une première couche métallique, par exemple composée d'or ou de nickel, par PVD en présence d'argon, de krypton ou d'azote ou encore un mélange de ces gaz et ensuite déposer une couche d'un autre métal par électrolyse, par exemple de l'étain. Dans le cas d'un dépôt d'or par PVD suivi d'un dépôt d'étain par électrolyse, en respectant les proportions correspondant à l'eutectique AuSn 80/20 en masse, un traitement thermique permettra la fusion de cet alliage à environ 280°C et donc la libération du ou des gaz piégés dans l'or à cette température. Selon un autre exemple, il est possible de déposer le premier métal (par exemple de l'or) suivant le même procédé PVD, mais en déposant le second métal (ici l'étain) avec un procédé d'électrolyse dégradé entraînant un piégeage de molécules de gaz H2 dans l'étain. Cette électrolyse dégradée est réalisée en augmentant les densités de courants lors de l'électrolyse, augmentant ainsi la vitesse de dépôt du métal par rapport à une électrolyse classique, ce qui entraîne un piégeage de molécules d'hydrogène dans le matériau déposé par électrolyse. Le traitement thermique avec refonte va permettre la libération d'un mélange de gaz de type ArH2 aux propriétés réductrices qui peuvent être favorables à la fiabilité du dispositif électronique 104, empêchant par exemple une oxydation de parties métalliques telles que des contacts électriques du dispositif.
  • Après avoir fermé hermétiquement la cavité 102, on expose (localement ou non) ces portions métalliques 110 à une température supérieure à la température de fusion du métal ou de l'alliage métallique des portions 110, entrainant ainsi sa fusion ainsi que le dégazage dans la cavité 102 des espèces gazeuses stockées dans ces portions 110. Cette variante a notamment pour avantage de libérer rapidement tout le gaz piégé dans les portions 110.
  • Dans une autre variante, les portions 110 peuvent correspondre à un bicouche métal / oxyde. Les portions 110 peuvent être formées par exemple par une couche d'aluminium déposée sur une couche de SiO2 obtenue par un dépôt de type HDP (réalisée par plasma à haute densité, par exemple HDP-CVD) et mise en forme par un procédé de gravure sèche. Dans ce cas la couche d'aluminium et la couche de SiO2 sont en liaison avec la cavité 102 (aucun matériau, notamment aucun matériau de passivation, n'est disposé sur les portions 110).
  • Dans l'exemple précédemment décrit, du gaz est libéré depuis les portions 110 dans la cavité 102 grâce au fait que le matériau des portions 110 est chargé en espèces gazeuses lors du dépôt PVD ou PECVD de ces portions 110. Dans une variante, il est possible que le gaz libéré dans la cavité provienne de dopants implantés dans les portions 110, ces dopants se libérant sous forme gazeuse lorsque les portions 110 sont chauffées. Ainsi, il est possible de réaliser les portions 110 à partir de techniques de réalisation autres qu'un dépôt PVD ou PECVD. De plus, lorsque le substrat 106 comporte le dispositif 104 par exemple de type MEMS ainsi que des dispositifs CMOS, les étapes ou les équipements d'implantation utilisés pour le dopage des dispositifs CMOS peuvent être utilisés pour réaliser le dopage des portions 110.
  • Les gaz libérés peuvent provenir à la fois des espèces gazeuses stockées dans les portions 110 lors du dépôt de celles-ci, et également de dopants implantés dans les portions 110.
  • La figure 4 représente une structure d'encapsulation 200 obtenue par la mise en oeuvre d'un procédé de réalisation selon un deuxième mode de réalisation.
  • Par rapport à la structure d'encapsulation 100 précédemment décrite, la structure d'encapsulation 200 ne comporte pas, sur le substrat 106, les portions de matériau 110 à partir desquelles s'échappent des espèces gazeuses. Dans ce deuxième mode de réalisation, les espèces gazeuses sont stockées dans une couche de matériau 202 recouvrant en partie ou totalement (comme c'est le cas sur l'exemple de la figure 4) les parois (paroi supérieure et parois latérales) du capot 114 se trouvant à l'intérieur de la cavité 102.
  • Une telle structure d'encapsulation 200 est par exemple obtenue en réalisant tout d'abord le dispositif électronique 104 sur le substrat 106, puis la couche sacrificielle 112. Une couche 202 de matériau chargé en éléments gazeux, par exemple de nature similaire au matériau des portions 110, est ensuite déposée de manière conforme (avec une épaisseur sensiblement constante), par exemple par un dépôt PVD ou PECVD, telle qu'elle recouvre la couche sacrificielle 112. Le procédé est ensuite achevé de manière analogue à celui mis en oeuvre pour réaliser la structure d'encapsulation 100, c'est-à-dire en réalisant le capot 114 ainsi que les trous de libération 116 (qui traversent également la couche 202), puis en gravant la couche sacrificielle 112 et le matériau sacrificiel 108, en bouchant les trous de libération 116 par la matériau de bouchage 118 et enfin en chauffant la couche 202 afin que les espèces gazeuses stockées dans la couche 202 soient libérées dans la cavité 102.
  • Le premier et le deuxième mode de réalisation précédemment décrits peuvent être combinés tels qu'une structure d'encapsulation 250 ainsi obtenue comporte, dans la cavité 102 fermée hermétiquement, les portions 110 et la couche 202 (voir figure 5).
  • De manière générale, le matériau dans lequel sont stockées les espèces gazeuses peut être réalisé sous n'importe quelle forme (portions, couches, etc.) et/ou selon n'importe quel motif, du moment que lors de la fermeture de la cavité, ce matériau soit disposé dans la cavité ou communique avec l'intérieur de celle-ci. Ainsi, il est possible que le matériau dans lequel sont stockées les espèces gazeuses soit réalisé dans un espace extérieur à la cavité 102 mais communiquant avec l'intérieur de celle-ci lorsqu'elle est fermée hermétiquement.
  • En variante des modes de réalisation précédemment décrits, les portions 110 et/ou la couche 202 peuvent être formées chacune par une superposition de plusieurs matériaux dont au moins un est chargé en espèces gazeuses, ces matériaux pouvant être différents les uns des autres. Une telle variante est avantageusement mise en oeuvre en réalisant des superpositions de matériaux métalliques. Ainsi, il est possible d'adapter la température de fusion du ou des matériaux enfermant les espèces gazeuses grâce aux eutectiques formés par ces différents matériaux métalliques.
  • Dans une autre variante, il est possible que le ou les matériaux des portions 110 et/ou de la couche 102 dans lesquels sont stockées les espèces gazeuses soient thermo-dégradables. Ces matériaux thermo-dégradables correspondent par exemple à des matériaux organiques tels que des polymères. Ainsi, en exposant ce matériau à une température supérieure ou égale à sa température à partir de laquelle il se dégrade, sa dégradation entraine le relâchement des espèces gazeuses dans la cavité 102. Après avoir libéré les espèces gazeuses par chauffage, le ou les matériaux restants peuvent être dégradés en partie ou totalement.
  • Les figures 6A et 6B représentent des structures d'encapsulation 300 obtenues par la mise en oeuvre d'un procédé de réalisation selon deux variantes d'un troisième mode de réalisation.
  • Par rapport à la structure d'encapsulation 100 précédemment décrite, la structure d'encapsulation 200 ne comporte pas les portions de matériau 110 à partir desquelles s'échappent des espèces gazeuses.
  • Dans ce troisième mode de réalisation, les espèces gazeuses sont stockées dans le matériau de bouchage utilisé pour boucher les trous de libérations 116, réalisé sous la forme de portions 302 (ou bouchons) obstruant chacune un ou plusieurs des trous de libération 116 (cas représenté sur la figure 6A) ou sous la forme d'une couche de matériau 304 recouvrant le capot 114 et donc également les trous de libération 116 (cas représenté sur la figure 6B).
  • Une telle structure d'encapsulation 300 est par exemple obtenue en réalisant tout d'abord le dispositif électronique 104 sur le substrat 106, puis la couche sacrificielle 112. Le capot 114 est réalisé sur la couche sacrificielle 112 et les trous de libération 116 sont réalisés à travers le capot 114. La couche sacrificielle 112 et le matériau sacrificiel 108 sont ensuite gravés. Les portions 302 ou la couche 304 de bouchage des trous de libération 116 sont ensuite réalisées par exemple par dépôt PVD ou PECVD, chargeant ainsi ces matériaux en éléments gazeux. Cette fermeture de la cavité 102 par les portions 302 ou la couche 304 est avantageusement réalisée sous vide ou sous pression réduite d'un ou plusieurs gaz non précurseurs. Le procédé est ensuite achevé de manière analogue aux précédents modes de réalisation, en chauffant (localement ou non) les portions 302 ou la couche 304 afin que les espèces gazeuses stockées dans les portions 302 ou la couche 304 soient libérées en partie dans la cavité 102.
  • Le troisième mode de réalisation peut être combiné avec le premier et/ou le deuxième mode de réalisation précédemment décrit afin que les portions 302 ou la couche 304 communiquent avec l'intérieur de la cavité 102 dans laquelle sont également disposées les portions 110 et/ou la couche 202. Les différentes variantes précédemment décrites en liaison avec le premier ou le deuxième mode de réalisation peuvent également s'appliquer à ce troisième mode de réalisation.
  • Dans tous les modes de réalisation précédemment décrits, les structures d'encapsulation sont obtenues par la mise en oeuvre de procédé de type PCM (Packaging Couche Mince). Toutefois, il est possible de réaliser ces différentes structures d'encapsulation par report de substrat. Dans ce cas, la couche capot 114 est remplacée par un deuxième substrat formant le capot de la cavité 102, les parois latérales de la cavité 102 étant formées par des portions de matériau formant une interface de collage entre le substrat 106 et le deuxième substrat. Une telle structure d'encapsulation 400 est représentée sur la figure 7. Dans cet exemple, la cavité 102 est formée entre le premier substrat 106 et un deuxième substrat 402 solidarité au premier substrat 106 via des portions de matériau 404 formant également les parois latérales de la cavité 102. Il est également possible que la cavité 102 soit formée dans le deuxième substrat 402, par exemple par micro-usinage, le premier substrat 106 et le deuxième substrat 402 pouvant dans ce cas être solidarisés directement l'un à l'autre. En variante, le matériau dans lequel sont enfermées les espèces gazeuses peut être réalisé sous la forme de portions et/ou de couche disposées par exemple contre le deuxième substrat 402 et/ou les parois latérales 404 de la cavité 102. Les différentes variantes précédemment décrites peuvent aussi s'appliquer à la structure d'encapsulation 400.

Claims (14)

  1. Procédé de réalisation d'une structure d'encapsulation (100, 200, 250, 300, 400) pour au moins un dispositif électronique comportant au moins les étapes de :
    - réalisation d'au moins une portion de matériau (110, 202, 302, 304) apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé, la portion de matériau (110, 202, 302, 304) communiquant avec l'intérieur d'une cavité (102) fermée hermétiquement de la structure d'encapsulation (100, 200, 250, 300, 400),
    - chauffage de tout ou partie de ladite portion de matériau (110, 202, 302, 304) tel qu'au moins une partie du gaz soit libérée depuis ladite portion de matériau (110, 202, 302, 304) dans la cavité (102),
    et dans lequel ladite portion de matériau (110, 202, 302, 304) apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé comporte des éléments piégés dans ladite portion de matériau (110, 202, 302, 304), lesdits éléments piégés se libérant de ladite portion de matériau (110, 202, 302, 304) sous forme gazeuse lors du chauffage dudit matériau sans décomposition de ladite portion de matériau (110, 202, 302, 304), ce gaz augmentant la pression régnant dans la cavité, ce qui permet d'obtenir une pression finale dans la cavité fermée hermétiquement qui est supérieure à la pression régnant dans la cavité lors de sa fermeture, tout en évitant d'avoir à réaliser une implantation gazeuse dans la cavité après sa fermeture.
  2. Procédé selon la revendication 1, comportant en outre, avant une fermeture hermétique de la cavité (102), une étape de réalisation d'au moins un dispositif électronique (104) dans la cavité (102).
  3. Procédé selon la revendication 2, comportant en outre, avant la mise en oeuvre de l'étape de chauffage de ladite portion de matériau (110), les étapes de :
    - réalisation du dispositif électronique (104) et de ladite portion de matériau (110) sur un substrat (106),
    - réalisation de la cavité (102) fermée hermétiquement dans laquelle sont disposés au moins le dispositif électronique (104) et ladite portion de matériau (110), la cavité (102) étant formée entre le substrat (106) et un capot (114).
  4. Procédé selon la revendication 3, comportant en outre, lors de la réalisation de la cavité (102) fermée hermétiquement, la réalisation d'au moins une couche de matériau (202) apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé, disposée dans la cavité (102) et contre le capot (114), ou formant le capot (114), et dans lequel l'étape de chauffage réalise également le chauffage de ladite couche de matériau (202), libérant au moins une partie du gaz depuis ladite couche de matériau (202) dans la cavité (102).
  5. Procédé selon la revendication 2, comportant en outre, avant la mise en oeuvre de l'étape de chauffage de ladite portion de matériau (202), les étapes de :
    - réalisation du dispositif électronique (104) sur un substrat (106),
    - réalisation de la cavité (102) fermée hermétiquement dans laquelle est disposé au moins le dispositif électronique (104), la cavité (102) étant formée entre le substrat (106) et un capot (114), ladite portion de matériau (202) formant une couche de matériau disposée dans la cavité (102) et contre le capot (114).
  6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel la réalisation de la cavité (102) comporte la réalisation d'au moins un trou (116) à travers au moins le capot (114) tel que le trou (116) forme un accès à l'intérieur de la cavité (102), la cavité (102) étant ensuite fermée hermétiquement en bouchant le trou (116) par au moins une deuxième portion de matériau (302) apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé, et dans lequel l'étape de chauffage réalise également le chauffage de ladite deuxième portion de matériau (302), libérant au moins une partie du gaz depuis ladite deuxième portion de matériau dans la cavité (102).
  7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, dans lequel la réalisation de la cavité (102) comporte la réalisation d'au moins un trou (116) à travers au moins le capot (114) tel que le trou (116) forme un accès à l'intérieur de la cavité (102), la cavité (102) étant ensuite fermée hermétiquement en bouchant le trou (116) par au moins une couche de matériau (304) apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé et recouvrant le capot (114), et dans lequel l'étape de chauffage réalise également le chauffage de ladite couche de matériau (304), libérant au moins une partie du gaz depuis ladite couche de matériau (304) dans la cavité (102).
  8. Procédé selon la revendication 2, comportant en outre, avant la mise en oeuvre de l'étape de réalisation de ladite portion de matériau (302), les étapes de :
    - réalisation du dispositif électronique (104) sur un substrat (106),
    - réalisation de la cavité (102) dans laquelle est disposé au moins le dispositif électronique (104), la cavité (102) étant formée entre le substrat (106) et un capot (114),
    et dans lequel la réalisation de la cavité (102) comporte la réalisation d'au moins un trou (116) à travers au moins le capot (114), la cavité (102) étant ensuite fermée hermétiquement en réalisant ladite portion de matériau (302) telle qu'elle bouche le trou (116).
  9. Procédé selon la revendication 2, comportant en outre, avant la mise en oeuvre de l'étape de réalisation de ladite portion de matériau (304), les étapes de :
    - réalisation du dispositif électronique (104) sur un substrat (106),
    - réalisation de la cavité (102) dans laquelle est disposé au moins le dispositif électronique (104), la cavité (102) étant formée entre le substrat (106) et un capot (114),
    et dans lequel la réalisation de la cavité (102) comporte la réalisation d'au moins un trou (116) à travers au moins le capot (114), la cavité (102) étant ensuite fermée hermétiquement en réalisant ladite portion de matériau (304) sous la forme d'une couche recouvrant le capot (114).
  10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel au moins ladite portion de matériau (110, 202, 302, 304) est réalisée par au moins un dépôt de type PVD ou PECVD dudit matériau, ledit dépôt réalisant un stockage d'éléments gazeux dans ledit matériau correspondant à au moins une partie des éléments piégés dans ladite portion de matériau.
  11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les éléments piégés dans ladite portion de matériau comportent des dopants implantés dans ledit matériau, lesdits dopants se libérant sous forme gazeuse lors du chauffage dudit matériau.
  12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel une fermeture hermétique de la cavité (102) est réalisée sous vide ou sous pression réduite d'au moins un gaz.
  13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit matériau apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé est composé d'au moins un métal, le chauffage de ladite portion de matériau (110, 202, 302, 304) étant réalisé à une température supérieure ou égale à la température de fusion dudit matériau.
  14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la réalisation de ladite portion de matériau (110, 202, 302, 304) apte à libérer au moins un gaz lorsque ledit matériau est chauffé comporte un premier dépôt de type PVD ou PECVD d'un premier métal et un deuxième dépôt par électrolyse ou électrolyse dégradée d'un deuxième métal sur le premier métal.
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